Verteidigung

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Innere Arbeit

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

EPOC: Shiny-App

Inhalt

MA als Webseite

Hinleitung zum Thema

2.1. Welche literaturbasierte Theorie liegt vor und welche Probleme bzw. bisher nicht geklärte Zusammenhänge sind daraus ableitbar?

2.2. Daraus ergaben sich dann theoriebezogene Fragestellungen.

2.3. Wie wurde versucht, diese grundlegende mathematisch/physikalisch/chemisch/statistisch Fragestellungen zu beantworten?

Theoretische Hintergrund

3.2. Mechanische und Innere Arbeit

Methodik & Statistik

Ergebnisse

Diskussion & Limitationen

Umsetzung der Arbeit als Webseite

Verwendung der Open-Source-Programmiersprache R und Quarto
Ermöglicht die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen, Büchern oder Webseiten
Unterstützung mehrerer Programmiersprachen (R, Python, Julia…)
Mithilfe von GitHub eine öffentlich zugängliche Webseite erstellt

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Integration und Ausführung von Code-Segmenten direkt in der Arbeit
Erweiterte Möglichkeiten der Datenvisualisierung

# Beispiel-Abbildung erstellen
ggplot(df_spiro_beispiel, aes(x = t_s)) +
  geom_line(aes(y = `V'O2`), color = "#1CADE4", size = 1) +
  geom_line(aes(y = `V'CO2`), color = "#EF5350", size = 1) +
  scale_x_continuous(limits = c(0, max(df_spiro_beispiel$t_s)),breaks = seq(0, max(df_spiro_beispiel$t_s), 100), 
                     expand = c(0, 0)) +
  scale_y_continuous(limits = c(0, 5),breaks = seq(0, 5, 1.0), labels = function(x) sprintf("%.1f", x)) +
  labs(x = "Zeit [s]", y = "V̇O₂ & V̇CO₂ [l · min⁻¹]") +
  theme_minimal()

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Effiziente Verarbeitung und Einbindung großer Datensätze

# Excel-Datensatz laden und darstellen
Stichprobe_df <- read_excel("Probanden_Daten 2.2.xlsm", sheet = "Stichprobe_final", range = "A1:Y10") %>%
  mutate(across(everything(), ~gsub(",", ".", .))) %>%
  mutate(across(-2, as.numeric)) %>%
  mutate(across(c(8, 10, 13, 15, 17, 19, 21, 23), ~round(., 2)))
datatable(Stichprobe_df, options = list(scrollX = TRUE, scrollY = "240px", dom = 't', order = list(list(0, 'asc')), 
                                        initComplete = JS("function(settings, json) {$(this.api().table().container()).css({'font-size': '70%'});}")), rownames = FALSE)

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Einbindung interaktiver Anwendungen (Shiny-Apps)
Transparente Darstellung des Quellcodes und der verwendeten Datensätze

Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Analysen und der Ergebnisse

Hinleitung zum Thema

Forschungsstand:
- Meiste Studien nur in sitzender Position
- 22-34% der Bergauf-Zeit im Stehen
- Hohe praktische Relevanz, aber wenig systematische Forschung
Bisherige Wirkungsgradanalysen:
- Fokus auf η_Brutto und η_Netto
- Keine Berücksichtigung innerer Arbeit
- η_muskulär bisher nicht im Stehen untersucht
Forschungslücke:
- Systematischer Vergleich η_muskulär Sitzen vs. Stehen
- Einfluss von Trittfrequenz und Intensität
- Integration innerer Arbeit beim Stehen

Unterschiede Sitzen vs. Stehen

Biomechanische Unterschiede:
- Körperschwerpunkt nach vorne verlagert
- Höhere tangentiale Pedalkräfte
- Niedrigere selbstgewählte Trittrate
- Mehr Freiheitsgrade der Bewegung
Physiologische Anpassungen:
- Veränderte Muskelaktivierung:
  - ↓ Untere Beinmuskulatur
  - ↑ Obere Beinmuskulatur
  - ↑ Rumpf- & Oberkörpermuskulatur
- Höhere Kurzzeitleistung möglich (+26%)
- Intensitätsabhängige metabolische Anpassung

Wirkungsgrad (η)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{metabolisch}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

η

→

≈

10-30%

Bruttowirkungsgrad (η_Brutto)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η}_{Brutto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

η_Brutto

→

≈

10-20%

Nettowirkungsgrad (η_Netto)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η}_{Netto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

η_Netto

→

≈

10-20%

Gesamtwirkungsgrad (η_Total)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η}_{Total} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

η_Total

→

≈

10-30%

Arbeitswirkungsgrad (η_Arbeit)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η}_{Arbeit} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe} - \text{W}_{Leerbewegung}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

η_Arbeit

→

≈

10-30%

Muskulärer Wirkungsgrad (η_muskulär)

Der Wirkungsgrad beim Radfahren beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter externer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Energie…

\[ \scriptsize \text{η}_{muskulär} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

η_muskulär

→

≈

10-30%

Energieanteile

Aerobe Energiekomponente

W_Aerob

Anaerobe-laktazide Energiekomponente

W_BLC

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente

W_PCr

Aerobe Energiekomponente (W_Aerob)

Messung des Sauerstoffvolumenstrom in Ruhe \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) mittels Spirometrie und des kalorischen Äquivalents (kÄ) anhand des individuell gemessenen RQ (t)
Berechnung von W_Aerob: \[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Aerobe Energiekomponente (W_Aerob)

Berechnung des \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) nach Harris-Benedict (1918)

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Grundumsatz:} \rightarrow h_{f, m}\,[kcal] &= \begin{cases} h_{f} = 655.1 + (9.563 \cdot M) + (1.850 \cdot L) - (4.676 \cdot A)\\ h_{m} = 66.5 \,+ (13.75 \cdot M) + (5.003 \cdot L) - (6.775 \cdot A) \end{cases} \end{aligned} \]

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Ruheumsatz:} \rightarrow RMR_{f, m}\,[l \cdot min^{-1}] &= \begin{cases} RMR_{f} = \left( \frac{h_{f}}{24 \, \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.278\\ RMR_{m} = \left( \frac{h_{m}}{24 \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.287 \end{cases} \end{aligned} \]

Berechnung von W_Aerob: \[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Anaerobe-laktazide Energiekomponente (W_BLC)

Berechnung von W_BLC aus:
- Blutlaktatwert vor Belastung (BLC_Pre)
- Maximaler Laktatwert nach Belastung (BLC_max)
- Nettoblutlaktatwert: BLC_Netto = BLC_max - BLC_Pre
Berechnung von W_BLC: \[ \scriptsize W_{BLC} \, [\text{kJ}] = \frac{ BLC_{Netto} \, [\text{mmol} \cdot \text{l}^{-1}] \cdot 3.0 \, [\text{ml O}_2 \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{mmol}^{-1} \cdot \text{l}] \cdot \text{Körpermasse} \, [\text{kg}] \cdot kÄ_{\text{KH}} \, [\text{J} \cdot \text{ml}^{-1} \,\text{O}_2] }{1000} \]

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Bestimmung durch Excess Post-Exercise Oxygen Consumption (EPOC)
- Sauerstoffmehraufnahme nach Belastungsende über Ruhebedarf
- EPOC_fast: ATP/PCr- und O₂-Speicher Wiederauffüllung (alaktazide anaerobe Energiebereitstellung)
- EPOC_slow: Metabolische Nachbelastungseffekte (Sympathikus, Stoffwechsel, Laktat)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

Bestimmung von \(\tau\) zur Abgrenzung der Komponenten

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

Modellierung der EPOC_slow

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

Modellierung der EPOC_fast (= W_PCr)

Mechanische Gesamtarbeit

Die mechanische Gesamtarbeit beim Radfahren setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:

\[ \scriptsize \text{Mechanische Gesamtarbeit}\,\text{(W}_{Tot}\text{)} = \text{Mechanischen Arbeit}\,\text{(W}_{mech}\text{)} + \text{Innere Arbeit}\,\text{(W}_{Int}\text{)} \]

Innere Arbeit

Die innere Arbeit (W_Int) beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Innere Arbeit

Die innere Arbeit (W_Int) beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Innere Arbeit

test 2
test 2

Innere Arbeit - nach Winter(1979)

E_Pot

E_Kin,trans

E_Kin,rot

E_Kin,gesamt

E_Gesamt

ΔE_Gesamt

P_Int

Limitationen und Vorteile der verschiedenen Wirkungsgrade

Literaturübersicht der Wirkungsgrade

Welcher Probleme gehen aus der bestehenden Literatur hervor

Forschungsfrage

Hypothese

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

Experimentelles ??? Design mit drei Intensitäten jewiels im Sitzen und Stehen
2 Testtage: 1. EIngangsuntersucuhungen 2. Tatächihce Tests

Einshclusskriterien: - ausdauertrainierte Personen ♀︎ & ♂ - Größteil aus Radsport oder Triathlon - \(\dot{V}O_{2,max}\) > 65 [ml·min^-1]

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

Insgesamt 24 Testpersonen
11 erfüllten die Einschlusskriterien (2 entfernt)
9 Testpersonen: (2 Frauen | 7 Männer)
\(\dot{V}O_{2,max}\): 3900 - 6181 [ml·min^-1] | 67.8 - 81.3 [ml·min^-1·kg^-1]

Methodik - Messmethoden

Anthropometrische Messungen: Körpermasse, Körperlänge, Umfang & Durchmesser der Gleidmaßen
Fahrradergometer: Lode - Excalibur Sport
Atemgasanalyse: Cortex - MetaMax 3B
Blutlaktatanalysegerät: EKF diagnostic- Biosen S-Line Lab+
Herzratenmessung: Polar - H10
3D-Kinematik Daten: Reflektierende Marker + Vicon Vero Kameras

Methodik - Testtag 1

1. Stufentest_sitzen

Startlast: 60/80 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

2. Stufentest_stehen

Startlast: 150/200 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

3. Drehzahltest

Start-Drehzahl: 70 [U·min^-1]
Stufen: 5 [U·min^-1]
Stufendauer: 30 [s]

Methodik - Testtag 2

1. Leicht

Last: \(\small P_{mech,VT_1}-0.075 \cdot P_{mech,max}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

2. Moderat

Last: \(\small P_{mech,VT_1}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

3. Schwer

Last: \(\frac{P_{mech,VT_1} + P_{mech,VT_2}}{2}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

Methodik: Statistische Analyse

Voraussetzungsprüfungen:
- Shapiro-Wilk (Normalverteilung), Levene (Varianzhomogenität), Mauchly (Sphärizität)
Hauptanalyse:
- 2x3 ANOVA mit Messwiederholung
  - Faktor A: Körperposition (sitzen, stehen)
  - Faktor B: Intensität (leicht, moderat, schwer)
Post-hoc Tests:
- Gepaarte t-Tests mit Bonferroni-Korrektur
- Bei Voraussetzungsverletzung: Wilcoxon-Tests
Signifikanz:
- ANOVA: ηp² (klein ≥ 0.01, mittel ≥ 0.06, groß ≥ 0.14)
- Paarvergleiche: d (trivial < 0.2, klein ≥ 0.2, mittel ≥ 0.5, groß ≥ 0.8)
- Signifikanzniveau: α = .05 (*** p < .001, ** p < .01, * p < .05)

Ergebnisse 1

Ergebnisse - Wirkungsgrade

Ergebnisse - Muskulärer Wirkungsgrad

Muskulärer Wirkungsgrad:
- Sitzen > Stehen (24.98 ± 1.06% vs. 24.07 ± 0.96%)
- Systematischer Abfall mit steigender Intensität

Ergebnisse

Hypothesenprüfung:
- H₀ wird für leichte Intensität abgelehnt
- H₁ wird angenommen: Signifikante Unterschiede zwischen Positionen
- Intensitätsabhängiger Effekt bestätigt (p = .003)
Intensitätsspezifische Unterschiede:
- Leicht: Signifikant (p = .011, d = 1.36)
- Moderat: Nicht signifikant (p = .153, d = .76)
- Schwer: Nicht signifikant (p = .807, d = .40)

Explorative Ergebnisse

Weitere untersuchte Wirkungsgrade:
- Bruttowirkungsgrad:
  - Sitzen: 22.30 ± 0.78% vs. Stehen: 22.55 ± 1.47%
- Nettowirkungsgrad:
  - Sitzen: 24.81 ± 0.82% vs. Stehen: 25.07 ± 1.55%
- Gesamtwirkungsgrad:
  - Sitzen: 22.06 ± 0.70% vs. Stehen: 22.32 ± 1.34%
- Arbeitswirkungsgrad:
  - Nur sitzend: 25.91 ± 1.39%
Zentrale Befunde:
- Keine signifikanten Positionsunterschiede bei allen Wirkungsgraden
- Signifikanter Intensitätseffekt bei η_Brutto (p = .019)

Wirkungsgrade	Berechnung
η_Brutto	W_mech / W_Aerob
η_Netto	W_mech / (W_Aerob - W_Ruhe)
η_Total	W_mech / (W_Tot - W_Ruhe)
η_muskulär	(W_mech + W_Int) / (W_Tot - W_Ruhe)
η_Arbeit	W_mech / (W_Tot - W_Ruhe - W_Leerbewegung)
η_delta	ΔW_mech / ΔW_Tot

Diskussion: Besprechung der Ergebnisse

Hypothesen:
- H0 für leichte Intensität widerlegt
- Signifikante Interaktion: Position × Intensität (p = .003)
Intensitätsabhängige Unterschiede:
- Leicht: Signifikant höherer η_muskulär im Sitzen (p = .011)
- Moderat/Schwer: Keine signifikanten Unterschiede
- Systematische Angleichung mit steigender Intensität
Ursachenanalyse:
- Signifikant höhere W_Int im Sitzen
- Unterschiedliche Trittraten (Sitzen: 89 vs. Stehen: 70 U·min^-1)
- η_Total ohne W_Int zeigt keine Positionsunterschiede

Diskussion: Praktische Relevanz

Stehen als valide Alternative zum Sitzen:
- Vergleichbare Wirkungsgrade (außer η_muskulär)
- Ermöglicht Variation der Muskelbelastung
- Tendenziell sogar minimal höhere Werte im Stehen
Praxisempfehlungen:
- Vorzugsweise bei steilen Anstiegen
- Bei niedrigen Geschwindigkeiten
- Für kurzzeitige Maximalleistungen
- Berücksichtigung erhöhter Luftwiderstand

Diskussion: Methodenkritik & Limitationen

Stichprobe:
- Geringe Größe (n=9)
- Unausgewogenes Geschlechterverhältnis
- Eingeschränkte statistische Power
Methodische Aspekte:
- Überschätzte ventilatorische Schwellen
- “Leichte” Intensität zu hoch (73% VO_2max)
- Kurze Erholungszeiten (10 min)
- Aktive statt passive Nachbelastung
W_Int-Berechnung im Stehen:
- Möglicherweise unterschätzt
- Modell bedarf Optimierung
- Fehlende Validierung

Diskussion: Ausblick

Methodische Verbesserungen:
- Größere, ausgewogene Stichprobe
- Optimierte Intensitätsabstufung
- Längere Erholungsphasen
- Passive Nachbelastungsphasen
W_Int-Modellierung:
- Alternative Berechnungsansätze
- Validierung durch P_TOT-Vergleiche
- Integration von Lenker-/Sattelkräften
- Individuelle Segmentparameter
Weitere Forschungsaspekte:
- Torque Efficiency & negative Leistung
- Ermüdungseffekte bei Leistungsspitzen
- Wärmeenergieanteil & -messung

Verteidigung-Masterarbeit

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Umsetzung der Arbeit als Webseite

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

Hinleitung zum Thema

Unterschiede Sitzen vs. Stehen

Wirkungsgrad (η)

Bruttowirkungsgrad (ηBrutto)

Nettowirkungsgrad (ηNetto)

Gesamtwirkungsgrad (ηTotal)

Arbeitswirkungsgrad (ηArbeit)

Muskulärer Wirkungsgrad (ηmuskulär)

Energieanteile

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

Anaerobe-laktazide Energiekomponente (WBLC)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

Mechanische Gesamtarbeit

Innere Arbeit

Innere Arbeit

Innere Arbeit

Innere Arbeit - nach Winter(1979)

EPot

EKin,trans

EKin,rot

EKin,gesamt

EGesamt

ΔEGesamt

PInt

Limitationen und Vorteile der verschiedenen Wirkungsgrade

Literaturübersicht der Wirkungsgrade

Welcher Probleme gehen aus der bestehenden Literatur hervor

Forschungsfrage

Hypothese

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

Methodik - Messmethoden

Methodik - Testtag 1

Methodik - Testtag 2

Methodik: Statistische Analyse

Ergebnisse 1

Ergebnisse - Wirkungsgrade

Ergebnisse - Muskulärer Wirkungsgrad

Ergebnisse

Explorative Ergebnisse

Explorative Ergebnisse

Diskussion: Besprechung der Ergebnisse

Diskussion: Praktische Relevanz

Diskussion: Methodenkritik & Limitationen

Diskussion: Ausblick

Bruttowirkungsgrad (η_Brutto)

Nettowirkungsgrad (η_Netto)

Gesamtwirkungsgrad (η_Total)

Arbeitswirkungsgrad (η_Arbeit)

Muskulärer Wirkungsgrad (η_muskulär)

Aerobe Energiekomponente (W_Aerob)

Aerobe Energiekomponente (W_Aerob)

Anaerobe-laktazide Energiekomponente (W_BLC)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

Anaerob-alaktazide Energiekomponente (W_PCr)

E_Pot

E_Kin,trans

E_Kin,rot

E_Kin,gesamt

E_Gesamt

ΔE_Gesamt

P_Int